WO2015039936A1 - Verfahren und gasanalysator zur messung der konzentration einer gaskomponente in einem messgas - Google Patents

Verfahren und gasanalysator zur messung der konzentration einer gaskomponente in einem messgas Download PDF

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Thomas Hankiewicz
Christoph Wolfgang Marquardt
Jan Nygren
Kai-Uwe Pleban
Franz Steinbacher
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a gas analyzer according to the Oberbe ⁇ handle of claim 6. Such a method and such a gas analyzer are known from EP 1 475 618 Bl.
  • the known gas analyzer is a laser spectrometer which is used in particular for optical gas analysis in process measurement technology.
  • a wavelength-tunable light source in the form of a laser diode generates light in the infrared range, which is guided by a measured process ⁇ gas (measurement gas), and then detected.
  • the wavelength of the light is tuned to a specific absorption line of the respective gas to be measured component where ⁇ the absorption line scans periodically wellenlän ⁇ genvola at the laser diode.
  • the laser diode is driven within periodically successive sampling intervals with a ramped or triangular current signal.
  • the wavelength of the light generated with high frequency and small amplitude is additionally modulated sinusoidally.
  • the measuring signal is usually demodulated at an nth harmonic, preferably the second harmonic, by phase-sensitive lock-in technique and evaluated for each sampling interval to a Mess ⁇ result.
  • the detection of the nth harmonic is directly proportional to the nth derivative of the direct measurement signal.
  • the evaluation takes place z. B. by fitting (curve fitting) of the Lorentz profile of an ideal absorption line or its nth derivative to the course of the demodulated measurement signal. From the measurement result obtained thereby, the Konzentra ⁇ tion of the measured gas component is finally determined.
  • Temperature changes within the gas analyzer can lead to changes in the measurement results.
  • This drift than be ⁇ recorded characteristics of the gas analyzer restricts its measuring behavior and to realize applications significantly one.
  • One of the reasons for the drift can be Etalons in the optical path. These lead in the course of the demodulated measurement signal to periodic structures that are in the frequency range of the expected absorption signal. In the curve fitting, this leads to misfit functions and deviations between the determined concentrations and the actual concentrations of the gas component to be measured.
  • the object of the invention is to reduce drifts in the measurement results resulting from temperature changes in the gas analyzer.
  • the object is achieved by the method defined in claim 1 and the gas analyzer specified in claim 6.
  • the invention is based on the realization that from the si ⁇ nusförmigen modulation with different Modulationsamp- Lituden resulting demodulated measurement signals from the same disorder are affected differently. If these demodulated measurement signals are obtained at the same concentration of the gas component to be measured, they together contain additional information about the disturbance, this additional information being all the more detailed and accurate the more different modulation amplitudes are used. With this additional information, the fault can be detected and compensated.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the gas analyzer according to the invention
  • Figure 2 shows an example of the disorder of a demodulated
  • Figure 3 shows an example for the demodulated measuring signal at un ⁇ teretzlichen modulation amplitudes
  • FIG. 4 shows, by way of example, the frequency spectra of the disturbance and of the demodulated measuring signal at different levels
  • FIG. 5 shows an example of the calibration matrix.
  • a laser spectrometer for measuring the concentration of at least one gas of interest component of a measurement gas 1, which contain in egg ⁇ nem measurement volume 2, for example one sample cell or a process gas line, is.
  • the spectrometer includes a light source 3 in the form of a laser diode whose light
  • a current source 7 controlled by a modulation device 6 supplies the laser diode 3 with an injection Ström i, wherein the intensity and wavelength of the generated light 4 from the current i and the operating temperature of the laser diode 3 depend.
  • the modulation device 6 comprises a first signal generator 8, which periodically activates the current source 7 with a predetermined, preferably ramp-shaped or triangular function 9 in order to produce a wavelength of the generated light 4 which follows the progression of the current i more or less linearly to scan selected absorption line of the gas component of interest.
  • a second signal generator 10 generates a sinusoidal signal 11 of higher frequency f 0 , with which the ramp-shaped or triangular-shaped function 9 is modulated in a summing element 12.
  • a controlled by the first signal generator 8 control unit 13 selects at least two in a function block 14 contained different values of Kl, K2 a value, at their in egg ⁇ nem multiplier 15, the sinusoidal signal 11 multiplied ⁇ and so its modulation amplitude is set.
  • different modulation amplitudes are set (eg K1, K2, K1, K2, etc. or K1, K1, K2, K2, K1, K1, K2, K2, etc.) must have been to each of the modulation amplitudes used again particularly in modulation with more than two different Modulationsamplitu ⁇ before the concentration of the gas component to be measured has changed measurably.
  • the measuring detector 5 As a function of the detected light intensity, the measuring detector 5 generates a measuring signal 16 which is demodulated in a lock-in amplifier 17 of an evaluating device 18 in the case of a harmonics nf 0 of the modulation frequency f 0 .
  • the demodulated measurement signal 16 ' is evaluated for each sampling interval to a Messgeb ⁇ nis.
  • the sampling interval in successive ⁇ len at different modulation amplitudes Kl, K2 ER- witnessed measurement results 20 (Cl), 20 (K2) memory means 21 is supplied and there z.
  • B. in a calibration matrix 22 stored measurement results that have been obtained in a calibration of the gas analyzer.
  • the stored measurement results are to the results obtained at different known concentrations of the gas component to be measured for the different modulation amplitudes and their changes at different operating temperatures or gradients of the operating temperature of the gas analyzer.
  • the measured Kon ⁇ concentration of the gas component 23 is then determined by comparing the measurement results obtained in the successive sampling intervals for the different modulation amplitudes Kl, K2 20 (Cl), 20 (K2) with the stored measurement results and output.
  • changes in temperature inside the gas analyzer to a drift of the measurement result ⁇ se may lead.
  • One cause of the drift may include etalons in the optical beam path, which lead to periodic structures in the course of the demodulated measurement signal 16 '.
  • Figure 2 shows an example of a second harmonic 2f 0 of the modulation frequency f 0 demodulated ideal Messsig ⁇ nal 16 'a, which corresponds to the second derivative of the sampled absorption line, a periodic disturbance 24 and the superposed by the disturbance 24 the measurement signal 16' b. It is immediately apparent that a fitting of the 2 nd derivative of the Lorentzian profile of an ideal absorption line of the disturbed measurement signal ⁇ 16 'b does not lead to a correct concentration determination.
  • FIG. 3 shows, by way of example, two demodulated measurement signals obtained by sampling the same absorption line in each case
  • FIG. 4 shows by way of example the frequency spectrums of the disturbance 24 and the demodulated measuring signals 16 '(K1), 16' (K2). From the figures 2 to 4 shows that the dulation from the f 0 -MO- with different modulation amplitudes Kl, K2 resulting demodulated measurement signals 16 '(Cl), 16' (K2) differs greatly affected by the same interference 24 to advertising, which is particularly evident in the frequency domain. Since both demodulated measuring signals 16 '(K1), 16' (K2) have been recorded at the same concentration of the gas component to be measured, together they contain additional information about the disturbance, this additional information being all the more detailed and accurate the more different modulation amplitudes K1, K2, ... are used.
  • the demodulated measurement signal 16 ' (which is composed of the alternately successive demodulated measurement signals 16' (Kl) and 16 '(Kl)) for each sampling interval to the measurement results 20 (Kl), 20 (K2), which in addition to the concentration of the gas component to be determined also contain the additional information about the disturbance.
  • the evaluation can be done in a conventional manner by Curve fitting.
  • z. B. also the frequency spectra of the demodulated measuring signals 16 '(Kl),
  • FIG. 5 shows an example of the calibration matrix 22 (see FIG. 1) in which measured results obtained during the calibration of the gas analyzer at different known concentrations of the gas component to be measured for the two different modulation amplitudes K1, K2
  • a more complicated drift behavior of the gas analyzer can be compensated by carrying out the modulation at the frequency f 0 with n> 2 different modulation amplitudes Kl, Kn and the n obtained measurement results 20 (Kl), 20 (Kn) with n-tuples be compared in an n-dimensional calibration matrix.
  • the n-tuples can be stored even with the added ⁇ impaired known concentrations of the gas component, so that later, when measuring the unknown concentration of the gas component, the concentration value for the thus obtained n-tuple can be read out of the calibration matrix 22 or determined by interpolation with the concentration values of the respectively adjacent stored n-tuples.

Abstract

Zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente in einem Messgas (1) wird die Wellenlänge des Lichts (4) einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f0) moduliert. Das modulierte Licht (4) wird durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt, dessen Messsignal (16) bei einer Oberschwingung der Frequenz demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet wird. Um aus Temperaturänderungen in dem Gasanalysator resultierende Driften in den Messergebnissen zu reduzieren, erfolgt in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen die Modulation mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2). Zur Messkalibrierung sind in einer Speichereinrichtung (21) bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltene Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) sowie ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturverläufen des Gasanalysators abgespeichert. Die zu messende unbekannte Konzentration (23) wird durch Vergleich der bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) mit den abgespeicherten Messergebnissen ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Gasanalysator gemäß dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 6. Ein derartiges Verfahren bzw. ein derartiger Gasanalysator sind aus der EP 1 475 618 Bl bekannt.
Bei dem bekannten Gasanalysator handelt es sich um ein Laser- spektrometer, das insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt wird. Eine wellenlängen- abstimmbaren Lichtquelle in Form einer Laserdiode erzeugt Licht im Infrarotbereich, das durch ein zu messendes Prozess¬ gas (Messgas) geführt und anschließend detektiert wird. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptions- linie der jeweils zu messenden Gaskomponente abgestimmt, wo¬ bei die Laserdiode die Absorptionslinie periodisch wellenlän¬ genabhängig abtastet. Dazu wird die Laserdiode innerhalb von periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit einem rampen- oder dreieckförmigen Stromsignal angesteuert. Während der vergleichsweise langsamen Abtastung der Absorptionslinie wird zusätzlich die Wellenlänge des erzeugten Lichts mit ho¬ her Frequenz und kleiner Amplitude sinusförmig moduliert. Da das Profil der Absorptionslinie nicht linear ist, werden in dem bei der Detektion erhaltenen Messsignal auch Harmonische oberhalb der Modulationsfrequenz erzeugt. Das Messsignal wird üblicherweise bei einer n-ten Oberschwingung, vorzugsweise der zweiten Harmonischen, durch phasensensitive Lock-in Technik demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Mess¬ ergebnis ausgewertet. Bei kleiner Modulationsamplitude ist die Detektion der n-ten Harmonischen direkt proportional zu der n-ten Ableitung des direkten Messsignals. Die Auswertung erfolgt z. B. durch Anfitten (Curve-Fitting) des Lorentz-Pro- fils einer idealen Absorptionslinie bzw. dessen n-ten Ableitung an den Verlauf des demodulierten Messsignals. Aus dem dabei erhaltenen Messergebnis wird schließlich die Konzentra¬ tion der zu messenden Gaskomponente bestimmt.
Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators können zu Änderungen der Messergebnisse führen. Diese als Drift be¬ zeichnete Charakteristik des Gasanalysators schränkt sein Messverhalten und zu realisierende Applikationen maßgeblich ein. Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein. Diese führen in dem Verlauf des demodulierten Messsignals zu periodischen Strukturen, die im Frequenzbereich des zu erwartenden Absorptionssignals liegen. Beim Curve-Fitting führt dies zu fehlangefitteten Funktionen und Abweichungen zwischen der ermittelten Konzentrationen von der tatsächlichen Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente.
Zur Unterdrückung dieser Störsignalanteile ist es aus der oben genannten EP 1 475 618 Bl bekannt, einen Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts unmittelbar auf einen Moni- tordetektor zu führen und das erhaltene Monitorsignal bei der n-ten Oberschwingung zu demoduliert und auszuwerten. Jede Ab¬ weichung des demodulierten Monitorsignals von einer Nulllinie beruht auf einer optischen Störung, die, soweit sie im Be¬ reich der Lichtquelle oder in dem von Mess- und Monitorkanal gemeinsamen genutzten Wegabschnitt des Strahlengangs liegt, auch das Messsignal beeinträchtigt. Diese Störung wird durch eine Vorverzerrung der Ansteuerung der Lichtquelle kompensiert, indem die Wellenlänge des Lichts zusätzlich mit der n- ten Oberschwingung moduliert wird, wobei die Modulationsin- tensität von dem demodulierten Monitorsignal abhängig ist.
Die Auskopplung eines Teils des erzeugten Lichts auf den Mo¬ nitordetektor ist jedoch mit einem erhöhten konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand verbunden, der mit einer höhe- ren Störempfindlichkeit einhergeht. Außerdem können außerhalb der gemeinsamen Abschnitte des Mess- und Monitorkanals auf¬ tretende Störungen des Messsignals nicht kompensiert werden. Aus der EP 2 336 738 AI oder EP 1 927 831 AI ist es bekannt, die optische Weglänge beispielsweise durch mechanische Vibra¬ tion der Lichtquelle zu variieren und die störenden periodi¬ schen Strukturen aus dem demodulierten Messsignal herauszu- mittein. Dadurch lassen sich aber nur bestimmte, von parallelen optischen Oberflächen im Stahlengang erzeugte Interferenz-Störungen reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Temperaturände- rungen in dem Gasanalysator resultierende Driften in den Messergebnissen zu reduzieren.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren sowie den in Anspruch 6 angegebenen Gas- analysator gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor,
- dass die sinusförmige Modulation in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden erfolgt,
- dass zur Messkalibrierung in einer Speichereinrichtung bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulations¬ amplituden erhaltene Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert werden, und
- dass beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderf oIgenden Ab¬ tastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration ermittelt wird .
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die aus der si¬ nusförmigen Modulation mit unterschiedlichen Modulationsamp- lituden resultierenden demodulierten Messsignale von derselben Störung unterschiedlich stark beeinflusst werden. Wenn diese demodulierten Messsignale bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente erhalten werden, enthalten sie zusammen eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden verwendet werden. Mit dieser Zusatzinformation kann die Störung erkannt und kompensiert werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen : Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gas- analysator,
Figur 2 ein Beispiel für die Störung eines demodulierten
Messsignals ,
Figur 3 ein Beispiel für das demodulierte Messsignal bei un¬ terschiedlichen Modulationsamplituden,
Figur 4 beispielhaft die Frequenzspektren der Störung und des demodulierten Messsignals bei unterschiedlichen
Modulationsamplituden, und
Figur 5 ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix . Bei dem in Figur 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes gezeigten Gasanalysator handelt es sich um ein Laser- spektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das in ei¬ nem Messvolumen 2, beispielsweise einer Messküvette oder ei- ner Prozessgasleitung, enthalten ist. Das Spektrometer enthält eine Lichtquelle 3 in Form einer Laserdiode, deren Licht
4 nach Durchstrahlen des Messgases 1, auf einen Messdetektor
5 fällt. Eine von einer Modulationseinrichtung 6 gesteuerte Stromquelle 7 speist die Laserdiode 3 mit einem Injektions- ström i, wobei die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 von dem Strom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängen. Die Modulationseinrichtung 6 umfasst einen ersten Signalgenerator 8, der die Stromquelle 7 perio- disch mit einer vorgegebenen, vorzugsweise rampen- oder drei- eckförmigen Funktion 9 angesteuert, um mit der mehr oder weniger linear dem Verlauf des Stromes i folgenden Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 eine ausgewählte Absorptionslinie der interessierenden Gaskomponente abzutasten. Ein zweiter Sig- nalgenerator 10 erzeugt ein sinusförmiges Signal 11 höherer Frequenz f0, mit dem in einem Summierglied 12 die rampen- oder dreieckförmige Funktion 9 moduliert wird. Eine von dem ersten Signalgenerator 8 gesteuerte Steuereinheit 13 wählt aus mindestens zwei in einem Funktionsblock 14 enthaltenen unterschiedliche Werten Kl, K2 einen Wert aus, mit dem in ei¬ nem Multiplizierer 15 das sinusförmige Signal 11 multipli¬ ziert und so seine Modulationsamplitude eingestellt wird. In jeweils unmittelbar oder in vorgegebener Anzahl aufeinanderfolgenden Abtastintervallen werden unterschiedliche Modulati- onsamplituden eingestellt (z. B. Kl, K2, Kl, K2 usw. oder Kl, Kl, K2, K2, Kl, Kl, K2, K2 usw.), wobei insbesondere bei Modulation mit mehr als zwei verschiedenen Modulationsamplitu¬ den jede der Modulationsamplituden einmal verwendet worden sein muss, bevor sich die Konzentration der zu messenden Gas- komponente messbar geändert hat.
Der Messdetektor 5 erzeugt in Abhängigkeit von der detektier- ten Lichtintensität ein Messsignal 16, das in einem Lock-in- Verstärker 17 einer Auswerteeinrichtung 18 bei einer Harmoni- sehen n-f0 der Modulationsfrequenz f0 demoduliert wird. In einer nachgeordneten Auswerteeinheit 19 wird das demodulierte Messsignal 16' für jedes Abtastintervall zu einem Messergeb¬ nis ausgewertet. Die in aufeinanderfolgenden Abtastinterval¬ len bei unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 er- zeugten Messergebnisse 20 (Kl), 20 (K2) werden einer Speichereinrichtung 21 zugeführt und mit dort z. B. in einer Kalibra- tionsmatrix 22 abgespeicherten Messergebnissen verglichen, die bei einer Kalibration des Gasanalysators erhalten worden sind. Bei den abgespeicherten Messergebnissen handelt es sich um die bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators . Die zu messende Kon¬ zentration der Gaskomponente 23 wird dann durch Vergleich der in den aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei den unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 erhaltenen Messergebnisse 20 (Kl ) , 20 (K2 ) mit den abgespeicherten Messergeb- nissen ermittelt und ausgegeben .
Wie eingangs bereits erläutert, können Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators zu einer Drift der Messergebnis¬ se führen . Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein, die zu periodischen Strukturen im Verlauf des demodulierten Messsignals 16' führen .
Figur 2 zeigt beispielhaft ein bei der zweiten Harmonischen 2f0 der Modulationsfrequenz f0 demoduliertes ideales Messsig¬ nal 16 'a, das der zweiten Ableitung der abgetasteten Absorptionslinie entspricht, eine periodische Störung 24 sowie das von der Störung 24 überlagerte Messsignal 16 'b. Es ist sofort erkennbar, dass ein Anfitten der 2-ten Ableitung des Lorentz- Profils einer idealen Absorptionslinie an das gestörte Mess¬ signal 16 ' b nicht zu einer korrekten Konzentrationsbestimmung führt .
Figur 3 zeigt beispielhaft zwei bei Abtastung jeweils der- selben Absorptionslinie erhaltene demodulierte Messsignale
16' (Kl), 16' (K2), wobei im Falle des Messsignals 16' (Kl) die Modulation bei der Frequenz f0 mit einer kleineren Modulationsamplitude Kl und im Falle des Messsignals 16' (K2) Modula¬ tionsamplitude K2 erfolgte.
Figur 4 zeigt beispielhaft die Frequenzspektren der Störung 24 und der demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2). Aus den Figuren 2 bis 4 ergibt sich, dass die aus der f0-Mo- dulation mit unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 resultierenden demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2) von derselben Störung 24 unterschiedlich stark beeinflusst wer- den, was sich insbesondere im Frequenzbereich zeigt. Da beide demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2) bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente aufgenommen worden sind, enthalten sie gemeinsam eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden Kl, K2, ... verwendet werden.
In der Auswerteeinheit 19 (vgl. Figur 1) wird das demodulierte Messsignal 16' (das sich aus den abwechselnd aufeinander folgenden demodulierten Messsignalen 16' (Kl) und 16' (Kl) zusammensetzt) für jedes Abtastintervall zu den Messergebnissen 20 (Kl), 20 (K2) ausgewertet, die neben der zu bestimmenden Konzentration der Gaskomponente auch die Zusatzinformation über die Störung enthalten. Die Auswertung kann in an sich bekannter Weise durch Curve-Fitting erfolgen. Wie anhand von Figur 4 leicht zu erkennen ist, können z. B. auch die Frequenzspektren der demodulierten Messsignalen 16' (Kl),
16' (Kl), oder auf besonders einfache Weise die Maxima 25, 26 der Frequenzspektren ausgewertet werden.
Figur 5 zeigt ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix 22 (vgl. Figur 1), in der im Verlauf einer Kalibrierung des Gas- analysators bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die beiden unterschiedli- che Modulationsamplituden Kl, K2 erhaltene Messergebnisse
20 (Kl), 20 (K2) zusammen mit den zugehörigen Konzentrationswerten als Wertepaare (2-Tupel) 27 abgespeichert sind. Das Wertepaar 27a wurde bei der Konzentration Null und das Paar 27e bei der höchsten zu erwartenden Konzentration (Endkonzen- tration) ermittelt. Die ermittelten Wertepaare liegen auf ei¬ ner Kennlinie 28, hier z. B. einer Geraden, deren übrige Werte durch Interpolation berechnet werden können. Durch mehrfache Kalibrierung des Gasanalysators bei unter¬ schiedlichen Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturverläufen werden Informationen über Abweichungen von der Kennlinie 28 erhalten, die ebenfalls abgespeichert werden. Im einfachsten Fall verläuft die Störbeeinflussung in eine Richtung 29, indem die Kennlinie 28 z . B . gedreht oder verschoben wird . Beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente wird ein dabei erhaltenes Wertepaar 30 mit den ab¬ gespeicherten Wertepaaren 27 verglichen und anhand der eben- falls abgespeicherten Informationen über die Abweichung, hier also die Information über die Richtung 29, rechnerisch auf die Kennlinie 28 zurückverschoben, um dort an der Stelle 31 die korrekte Konzentration 23 (vgl . Figur 1 ) der Gaskomponente abzulesen .
Wie bereits erwähnt, kann ein komplizierteres Driftverhalten des Gasanalysators kompensiert werden, indem die Modulation bei der Frequenz f0 mit n > 2 verschiedenen Modulationsamplituden Kl, Kn durchgeführt wird und die n erhaltenen Messergebnisse 20 (Kl), 20 (Kn) mit n-Tupeln in einer n- dimensionalen Kalibrationsmatrix verglichen werden. Anstatt bei der Kalibrierung die Änderungen der Messergebnisse bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder ihren Verläufen zu erfassen, so wie Richtung 29 der Änderung bei dem voran- gegangenen Beispiel , können die n-Tupel selbst mit den zuge¬ hörigen bekannten Konzentrationen der Gaskomponente abgespeichert werden, so dass später beim Messen der unbekannten Konzentration der Gaskomponente der Konzentrationswert für das dabei erhaltene n-Tupel aus der Kalibrationsmatrix 22 heraus- gelesen oder durch Interpolation mit den Konzentrationswerten der jeweils benachbarten abgespeicherten n-Tupel ermittelt werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (1) mittels eines Gasanalysators , wobei - zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer interessierenden Absorptionslinie der Gaskomponente die Wellenlänge des Lichts (4) einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f0) mo- duliert wird,
- das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt wird, und
- ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (16) bei ei¬ ner Oberschwingung (n-f0, n = 2, 3, 4,...) der Frequenz (fo) demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem
Messergebnis ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen die Modulation bei der Frequenz (f0) mit mindestens zwei unter- schiedlichen Modulationsamplituden (Kl, K2) erfolgt,
- dass zur Messkalibrierung in einer Speichereinrichtung
(21) bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden (Kl, K2) erhaltene Messergebnisse
(20 (Kl) , 20 (K2 ) ) und ihre Änderungen bei unterschiedlichen
Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert werden, und
- dass beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderfoIgenden Ab- tastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (Kl , K2 ) erhaltenen Messergebnisse (20 (Kl) , 20 (K2 ) ) mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration (23) ermittelt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messergebnis (20 (Kl), 20 (K2)) gebildet wird, indem der Verlauf eines demodulierten Messsignals (16') über das Ab¬ tastintervall an eine Idealkurve angefittet oder sein Fre¬ quenzspektrum, insbesondere dessen Maximum, ausgewertet wird
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei den unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für n (n > 2) unterschiedliche Modulationsamplituden (Kl, K2)) erhaltenen Messergebnisse
(20 (Kl), 20 (K2)) als n-Tupel (27) in einer Kalibrationsmatrix (22) abgespeichert sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abgespeicherten n-Tupel (27) eine Kennlinie (28) bilden und die Änderungen der Messergebnisse bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators in Form von Abweichungen von der Kennlinie (28) abgespeichert werden .
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators erhaltenen Messergebnisse ebenfalls als n-Tupel in der Kalibrationsmatrix (22 ) abgespeichert sind und dass beim Messen der unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in den auf- einanderfolgenden Abtastintervallen bei den unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse (20 (Kl ) , 20 (K2 ) ) mit den als n-Tupel abgespeicherten Messergebnissen ermittelt werden .
6. Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (1) mit
- einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3) ,
- einer Modulationseinrichtung (6), die zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer interessierenden Absorptionslinie der Gaskomponente die Wellenlänge des Lichts (4) der Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f0) moduliert,
- Mitteln, die das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) führen, und
- einer Auswerteeinrichtung (18), die ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (16) bei einer Oberschwingung (n-fo, n = 2, 3, 4,...) der Frequenz (f0) demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis auswertet, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Modulationseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die Modulation bei der Frequenz (f0) in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit mindestens zwei unterschiedli¬ chen Modulationsamplituden (Kl, K2) durchzuführen,
- dass die Auswerteeinrichtung (18) eine Speichereinrichtung (21) enthält, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden (Kl, K2) erhaltene Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert sind, und
- dass die AusWerteeinrichtung (18) ferner dazu ausgebildet ist, beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinand erfo I gend en Ab¬ tastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (Kl , K2) erhaltenen Messergebnisse (20 (Kl) , 20 (K2 ) ) mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration (23) zu ermitteln .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112881325A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于零漂估计的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015005142A1 (de) 2015-04-22 2016-10-27 Fresenius Medical Care Deutschland Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer medizinischen Lösung
EP3364169B1 (de) * 2017-02-17 2019-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Prozess-gasanalysator

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5026991A (en) * 1989-09-20 1991-06-25 Spectral Sciences, Inc. Gaseous species absorption monitor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0026046B1 (de) * 1979-09-05 1988-01-13 Imperial Chemical Industries Plc Verfahren und Apparat zur Ermittlung gasförmiger Verunreinigungen
US4594511A (en) * 1985-03-29 1986-06-10 Sri International Method and apparatus for double modulation spectroscopy
DE10238356A1 (de) * 2002-07-01 2004-01-22 Fernholz, Thomas, Dr. Quantitative spektroskopische Bestimmung eines Absorbers
DE60325173D1 (de) * 2003-05-09 2009-01-22 Siemens Ag Verfahren und System zur Wellenlängenmodulationsspektroskopie
DE602006014011D1 (de) * 2006-11-30 2010-06-10 Siemens Ag Verfahren zur Verringerung von Lichtinterferenzstreifen
EP2336738B1 (de) * 2009-12-17 2012-09-12 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zur Verringerung des Etaloneffekts von Licht, das in einem optischen System eines Laserspektroskopiesystems erzeugt wird
DE102011083750A1 (de) * 2011-09-29 2013-04-04 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zum Einstellen eines Laserspektrometers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5026991A (en) * 1989-09-20 1991-06-25 Spectral Sciences, Inc. Gaseous species absorption monitor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIUTAO LOU ET AL: "Temperature-Corrected Oxygen Detection Based on Multi-Mode Diode Laser Correlation Spectroscopy", JOURNAL OF SPECTROSCOPY, vol. 32, no. 30, 1 January 2013 (2013-01-01), pages 6090 - 8, XP055152166, ISSN: 2314-4920, DOI: 10.1007/BF00692448 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112881325A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于零漂估计的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法
CN112881325B (zh) * 2021-01-26 2022-06-17 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于零漂估计的红外二氧化碳传感器的浓度检测方法

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